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¿Por qué podemos ver galaxias lejanas, pero no plutón?

¿cómo es que los telescopios nos permiten ver galaxias lejanas con tanto detalle, pero no pueden tomar imágenes decentes de Plutón, que está mucho más cerca?

Para ponernos en contexto, esta es la mejor foto de Plutón y su sistema de lunas que el telescopio espacial Hubble había conseguido captar hasta ahora:

¿Por qué podemos ver galaxias lejanas, pero no plutón?

Y luego tenemos imágenes de galaxias de este estilo:

¿Por qué podemos ver galaxias lejanas, pero no plutón?

En comparación, las imágenes de Plutón dejan bastante que desear, y eso que las galaxias se encuentran muchísimo más lejos que nuestro planeta enano favorito. Pues veamos por qué nos cuesta tanto observar cosas relativamente cercanas desde la Tierra. Vamos a hablar del brillo y el tamaño aparentes de los cuerpos celestes.

Empecemos por el brillo.

Contando el cielo visible tanto desde el hemisferio norte como desde el hemisferio sur, en el cielo podemos ver a simple vista unas 9.700 estrellas. Eso no significa que sólo haya 9.700 estrellas en el firmamento: hay muchas más, pero cuando su llega hasta nosotros es demasiado débil como para que nuestros ojos puedan distinguirlas de la oscuridad del espacio.

Como seres humanos, el factor principal que limita que podamos ver estrellas más o menos brillantes es el tamaño de nuestras pupilas. Es decir: cuando más grande sea nuestra pupila, más luz podrá entrar a través de ella y, por tanto, podremos ver estrellas menos brillantes. Lo más probable es que hayáis experimentado este fenómeno alguna vez en vuestra vida si habéis salido a la calle de noche, después de estar un rato en una habitación iluminada. Al principio, el cielo os habrá parecido totalmente oscuro y, a medida que vuestros ojos se han ido acostumbrando a la oscuridad, habréis podido ver cómo cada vez más estrellas van apareciendo en el firmamento.

Los telescopios tienen como objetivo recoger suficiente luz como para que los objetos que no se pueden ver a simple vista se vuelvan visibles. Por eso, en vez de tener unos 7 milímetros de diámetro como las pupilas humanas, los telescopios poseen diámetros de varios centímetros (si hablamos de un telescopio de estar por casa) o hasta de varios metros (en el caso de los telescopios profesionales).

Al colocar nuestros ojos tras el visor de un telescopio, lo que estamos haciendo es utilizarlo como una especie de segunda pupila artificial, mucho más grande que la nuestra, que recoge mucha más luz de la que nuestros ojos son capaces y la concentra de manera que pueda caber a través de nuestra propia pupila. Como resultado, podemos ver objetos invisibles a simple vista porque nuestras pupilas son demasiado pequeñas. Eso sí, para poder ver toda esa luz necesitamos meter una lente dentro del telescopio que la concentre en un haz que quepa a través de nuestras pupilas y, de paso, proyecta la imagen con un mayor tamaño en nuestra retina.

¿Por qué podemos ver galaxias lejanas, pero no plutón?

Y esto normalmente se hace de dos maneras: con lentes en un extremo del telescopio que concentran la luz cuando llega al final del tubo (lo que hacen los telescopios refractores) o proyectando la imagen sobre un par de espejos y usando una lente para ampliar esa imagen, como si se observara el reflejo con una lupa (que es como funcionan los telescopios reflectores). Pero no entraré en detalles con este tema. La cuestión es que cuanto menos luminoso aparezca un objeto en el cielo, más ancho será el telescopio que necesitaremos para observarlo.

A la intensidad del brillo de una estrella se le llama magnitud y existen dos maneras de clasificarla: según el brillo que vemos desde la Tierra (su magnitud aparente) o su brillo real (su magnitud absoluta).

La magnitud aparente es la que determina si podemos ver algo en el cielo o no y representa cómo de brillante aparece un cuerpo celeste desde nuestra perspectiva, pero no te dice nada del brillo real del objeto porque, por ejemplo, una estrella muy brillante que se encuentre muy lejos puede parecer más tenue que una mucho más débil pero que está cerca de nosotros. Cuanto más débil es el brillo aparente de un cuerpo celeste, más alto será el número de su magnitud. Las cosas más brillantes del cielo, de hecho, tienen una magnitud negativa. En este enlace tenéis una lista donde aparece la magnitud de las estrellas más brillantes.

¿Pero qué escala absurda es esta? ¿cómo se supone que está relacionada la magnitud de los diferentes cuerpos celestes? ¡ME RINDO CON LA ASTRONOMÍA!

Que no, que no, si en realidad es una chorrada.

Para construir la escala, se tomó la estrella Vega como referencia y se le asignó una magnitud de 0. Luego se comparó cómo de luminosas son el resto de estrellas respecto a Vega para catalogarlas: las más brillantes que Vega tendrían valores negativos y las menos brillantes tendrían valores positivos.

Pero un objeto que tiene magnitud 1, por ejemplo, no es 4 veces más brillante que uno que tiene magnitud 4. Cada valor de magnitud representa un incremento de 2,5 veces en brillo respecto al anterior, que es más o menos la cantidad de luz necesaria para que el ojo humano pueda distinguir la diferencia de brillo entre una estrella y otra. Es decir, que una estrella de magnitud 1 es 2,5 veces más brillante que una de magnitud 2, por ejemplo. Pero una estrella de magnitud 2 es 2,5 veces más brillante que una de magnitud 3, y por tanto una estrella de magnitud 1 brilla 6,25 veces más que una de magnitud 3 (2,5 x 2,5). Y una de magnitud 1 será 3.814 veces más brillante que una de magnitud 10 (2,5 elevado a 9). Añado una imagen cuerpos con diferentes magnitudes, por si os lo aclara mejor:

¿Por qué podemos ver galaxias lejanas, pero no plutón?

¿Y cuál es la diferencia entre la magnitud aparente de Plutón y las galaxias?

Plutón no emite brillo propio pero, como el resto de los planetas, refleja la luz del sol. Eso sí, a Plutón llega 1.600 veces menos radiación solar que la que recibimos nosotros en la Tierra (porque se encuentra 40 veces más lejos y el brillo disminuye con el cuadrado de la distancia). Una vez llega a Plutón, la luz tiene que rebotar contra su superficie, donde parte de ella es absorbida, y recorrer de nuevo la tremenda distancia que la separa de nosotros, debilitándose aún más por el camino.

Es por eso que, con una magnitud aparente de 15,1, Plutón aparece 54 mil billones de veces menos brillante que el sol (mag. -26,17) en el cielo. El número es tan grande que es difícil de imaginar, así que podemos compararlo con la Luna, si resulta más fácil de visualizar: Plutón aparece 16 billones de veces menos brillante que la Luna llena (mag. -12,92). Si sabéis identificar algunos cuerpos celestes nocturnos, a lo mejor es servirá más saber que Plutón es 100 millones de veces menos brillante que Venus (mag. -4,89), el siguiente cuerpo más brillante del cielo. O 4 millones de veces menos brillante que Sirio (mag. -1,47), la estrella más brillante del cielo (después del sol, claro). O sea, que harían falta 4 millones de “Plutones” tal y como aparecen vistos desde la Tierra, todos superpuestos en el mismo lugar, para que igualaran el brillo de Sirio.

Si os interesa el tema, sabiendo que cada incremento de magnitud representa una diferencia de 2,5 veces en brillo y con estos datos sobre las magnitudes de varios cuerpos celestes, podéis calcular vosotros mismos la relación del brillo entre un cuerpo celeste y otro.

Pero las galaxias son otra historia.

Las galaxias brillan con la luz combinada de las miles de millones de estrellas que contienen. Y es por eso que, aunque las galaxias se encuentren a cientos de miles, millones o incluso miles de millones de años luz, mandan una cantidad de luz tremenda hacia nosotros.

Aquí tenéis una lista de magnitudes aparentes de 112 galaxias (el parámetro “B”) en el que podréis ver que la más difícil de observar tiene una magnitud de 10,2. Esto no significa que no existan galaxias más alejadas y/o más pequeñas que tengan magnitudes aún menores, por supuesto, pero sirve para demostrar que muchas galaxias aparecen, como poco, 100 veces más brillantes que Plutón desde nuestra perspectiva.

Pero el brillo de un objeto sólo determina si podremos observarlo a simple vista y, en caso contrario, el diámetro del telescopio que necesitaremos para sacarlo de entre las tinieblas. Lo que determina el detalle con el que lo podremos observar un cuerpo celeste es su tamaño aparente en el cielo.

Igual que las cámaras de fotos o el ojo humano, los telescopios tienen un límite de resolución. En este caso, la resolución no está limitada por el hecho de las lentes o los espejos de un telescopio estén compuestos por una serie de “puntos”. Sino más bien por el comportamiento de la luz en su interior que, al estar compuesta por ondas, éstas tienden a superponerse y hacer cosas raras.

Y, claro, el tamaño aparente de un objeto dependerá de el tamaño real del mismo y de lo lejos que esté de nosotros, así que vamos a ver qué se verá más grande en el cielo: Plutón o una galaxia.

Plutón tiene un diámetro de unos 2.400 kilómetros y se encuentra a unos 7.500 millones de kilómetros de distancia. Las galaxias varían en tamaño y distancia pero podemos tomar como ejemplo la galaxia del Sombrero, que mide 50.000 años luz de diámetro y está a 30 millones de años luz de distancia.

Obviamente, la galaxia del Sombrero se encuentra en el quinto pino (1 año luz equivale a unos 10 billones de kilómetros), pero su tamaño es tan difícil de imaginar como la distancia que la separa de nosotros. Si calculamos la relación entre el tamaño de estos objetos y la distancia a la que se encuentran, veremos que para Plutón la relación es de 0,00000032 mientras que la galaxia es 0,00166, lo que significa que la galaxia del Sombrero se verá 5.200 veces más grande en el cielo que Plutón.

Es por eso que se puede ver con mucho más detalle la estructura de una galaxia: al aparecer más grande se ve menos afectada por los problemas de resolución. En una cámara de fotos digital, esto se debería a que la estructura de la galaxia ocupará más píxeles y, por tanto, cada píxel individual podrá captar detalles más pequeños en su interior.

Y ese es el motivo por el que podemos ver la galaxia del sombrero así.

¿Por qué podemos ver galaxias lejanas, pero no plutón?

Respondiendo al a pregunta del principio: ¿que por qué no podemos ver Plutón con tanto detalle como las galaxias que, en comparación, están más lejos? Porque no emite mucha luz y en el cielo aparece como un punto extremadamente pequeño debido a la relación entre su pequeño tamaño y la distancia que nos separa de él, lo que impide que los telescopios puedan hacer observaciones con una resolución decente.

Eh, espera, que esto huele a que estás cerrando el chiringuito. No has dicho que haciendo fotos al cielo no te hace falta necesariamente tener un telescopio con un diámetro enorme para captar estrellas con un brillo débil.

Es verdad, voz cursiva. Al contrario que el ojo humano, las cámaras fotográficas tienen la ventaja de que se pueden dejar un rato “acumulando” luz antes de tomar la instantánea. Eso significa que aplicando este mismo procedimiento para hacer fotos nocturnas, podemos apreciar una cantidad mucho mayor de estrellas en las fotos que a simple vista… Y sí, también lo aplica la gente que hace fotos a través de telescopios. Un ejemplo de este fenómeno es esta foto que tomó mi amigo Yaroslav Prokhorov hace unas semanas, cuando fuimos a una cala de Ibiza a hacer un timelapse de la Vía Láctea.

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